纳米盘——膜蛋白研究新平台

张泽钰 黄储涵 魏鹏

膜蛋白，是能够结合或整合到细胞膜或细胞器膜上的蛋白质的总称，是生物膜功能的主要承担者，是体内细胞增殖分化、能量转换、信号传导和物质运输的主要承载者。膜蛋白主要包括外周膜蛋白、整合蛋白、脂锚定蛋白三类，其中整合蛋白中的通道蛋白、受体蛋白、载体蛋白，以及各种酶等，是现代生物医学领域中重要的研究内容。然而，由于膜蛋白不溶于水，且在体外难以保持天然形态，因此极大地限制了天然膜蛋白的相关研究。

纳米盘的原理

1959年，物理学家费恩曼提出了一个关于创造物品的设想：“为什么我们不能从单个的分子、甚至原子出发，按我们的要求进行组装以得到我们所需要的物品呢？”这就是有关纳米技术最早的灵感起源。此后，许多科学家在小分子层面进行了构想和努力，并于20世纪80年代发明了研究纳米技术的重要工具——扫描隧道显微镜，让科学家能够真实地看到一个个可见的原子或分子世界。最广为人知的纳米技术当属IBM公司的科学家将单个原子重排，組成了“I”“B”“M”3个字母，而这3个字母的长度加起来还不足3纳米，相当于人体头发丝直径的1/45 000。

纳米盘技术，最早由斯蒂芬·斯利加（Stephen Sligar）提出。纳米盘是一种由磷脂和膜支架蛋白（membrane scaffold proteins， MSP）颗粒自组装而成的盘状磷脂双分子层，其中的MSP颗粒是一种类似ApoA-1蛋白的人工膜支架蛋白。ApoA-1是人体中高密度脂蛋白的重要组成部分，由243个氨基酸残基组成，将其N端的部分氨基酸残基切掉后可形成柔软而具有韧性的MSP颗粒。有研究者通过改变蛋白骨架两端螺旋部分的长短或延长、截断的方法得到了长短不一的MSP颗粒，并发现其均可用于纳米盘的组装[3]，因而进一步证实了纳米盘的可塑性。

纳米盘的应用

膜蛋白纯化利器

现有纯化膜蛋白的方法主要是使用去污剂，利用双极性分子（同时具有疏水性与亲水性）来破坏磷脂双分子层结构，从而将膜蛋白从生物膜中释放出来。纯化过程中关键的一步，是使得目标膜蛋白在去污剂中自组装为胶束（表面活性剂浓度达到一定值后，开始大量形成的分子有序聚集体），而这一过程由不同去污剂的临界胶束浓度决定。但即便对于同一种去污剂来说，它的临界胶束浓度也不是恒定的，会受到溶液pH、离子强度和环境温度的影响。因此，去污剂在膜蛋白的溶解和提纯过程中面临着不确定性等多种问题。

当纳米盘技术与膜蛋白的纯化过程结合时，主要有两种方式[2]：一是将膜支架蛋白直接加入纯化好的目标膜蛋白中，使其自动整合嵌入；二是将膜支架蛋白颗粒加入膜蛋白的混合物之中，得到多种含不同膜蛋白的纳米盘混合物，再将这种两亲性的物质进行纯化。纳米盘依据其自身对于生物膜的高度模仿性，大大降低了以往使用去污剂纯化造成的膜蛋白错误折叠、表面聚集等问题发生的概率，保证纯化后的膜蛋白结构与功能同其天然构象更为接近；同时，简化了膜蛋白的纯化步骤、降低了纯化难度。

探究膜蛋白的结构

目前，研究蛋白质结构的主要手段有X射线衍射技术、电镜技术和核磁共振技术。获得高质量的蛋白质晶体，是进一步探究蛋白质结构的前提。然而在既往有关膜蛋白的研究中，由于膜蛋白自身两亲性的特殊性质，使其在纯化过程中构象不稳定，容易发生聚合，因此很难获得高质量的膜蛋白晶体。

近年来，研究者们试图将纳米盘与现有的成像基础结合来解决这一问题，例如在X射线晶体衍射法中，将纳米盘的膜支架蛋白颗粒设计成一个二维的结晶格，或通过使用特定的抗体为脂质双分子层提供更大的空间，以避免结晶困难的问题[4]；而在冷冻电镜技术中，研究者用纳米盘分离膜蛋白及其复合物，使得膜蛋白具有较高的均一性，目标蛋白中少有异常聚集，且蛋白能够在纳米盘上较好地保持其天然形态下的功能与构象，便于获取膜蛋白的结构[5，6]。

心血管疾病防治器

动脉粥样硬化是心血管疾病的高危致病因素，也是冠心病的主要发病和死亡原因。血脂升高是动脉粥样硬化的前提，而评估血脂的指标主要包括四项：血液中胆固醇、甘油三酯、高密度脂蛋白和低密度脂蛋白的水平。经脂质组学和蛋白质组学研究发现，血液中的高密度脂蛋白水平与心血管疾病发生的风险呈负相关[7]。

ApoA-1是人体中高密度脂蛋白的重要组成部分，纳米盘骨架MSP与体内ApoA-1结构十分相似。研究者将纳米盘注射进入动脉粥样硬化的动物模型后，能够一定程度地模拟盘状高密度脂蛋白的功能，起到抗动脉粥样硬化的作用。此外，也有学者深入地探究了药物与纳米盘的结合效果，结果发现与纳米盘结合后的他汀类药物能够大幅降低巨噬细胞的存活率，并抑制已形成斑块的炎症反应。

疏水性药物的良好载体

目前新发现的药物中，约40%都是脂溶性的，因此在常用的静脉注射给药过程中，常需使用增溶剂来提高药物的利用率，而这种方式又常常会产生“注射量大”“毒副作用多”等副作用。

纳米盘凭借其对生物膜磷脂双分子层结构的高度模拟性，成为疏水性药物的一种高效载体，纳米盘的骨架将磷脂包围在其中，亲水端向外，疏水端向内，药物可通过人为手段搭载在磷脂内部的长链中。通过该种方法，能够将脂溶性药物准确递送，过程中未出现明显的脱靶毒副作用，而含有ApoE3蛋白质的纳米盘还能够减少模型动物体内的淀粉样蛋白沉积，从而改善其神经功能变化引起的记忆缺陷[9]。